uCAM-III 串口摄像头模块：嵌入式成像的理想之选

在嵌入式成像应用领域，一款性能出色、易于集成的摄像头模块至关重要。今天，我们就来深入了解一下 4D Systems 推出的 uCAM-III 串口摄像头模块。

文件下载：UCAM-III.pdf

一、模块概述

uCAM-III（microCAM-III）是一款高度集成的串口摄像头模块，专为嵌入式成像应用设计。它可以连接到任何需要视频摄像头或 JPEG 压缩静态相机的主机系统。作为 uCAM-II 的升级版，uCAM-III 不仅向后兼容且可互换，还在原有基础上进行了一些增强。

主要特性

1. 小尺寸、低成本、低功耗：非常适合嵌入式成像应用，为项目节省空间和成本。
2. 5V 直流供电：标准的 5V 供电，方便与各种系统集成。
3. 板载 EEPROM：通过 TTL 串行链路为外部主机提供基于命令的接口。
4. 128KB RAM：相比 uCAM-II 进行了升级，能够捕获具有纹理的复杂图像，而无需自动下采样。
5. 高速 UART：高达 3.68Mbps 的传输速率，可用于传输 JPEG 静态图片或原始图像。
6. 多种图像格式支持：支持 RAW 格式和 JPEG 格式图像输出，提供不同分辨率的选择。
7. 内置电路：包括下采样、钳位和窗口电路，以及颜色转换电路，无需外部 DRAM。
8. 可选镜头：提供 56 度（标准）、76 度和 116 度三种镜头，可根据需求单独购买。
9. 锁定螺母：用于锁定镜头焦点，防止意外改变。
10. 小巧轻便：重量约 6g，尺寸为 32mm x 32mm x 21mm（不含镜头，包括接头）。
11. 环保合规：符合 RoHS 和 Reach 标准。

二、引脚配置与说明

引脚配置

Pin	Symbol	I/O	Description
1	5V	P	主电压供应正极输入引脚，4.5V 至 9.0V DC 范围，标称 5V。
2	TX	O	异步串行发送引脚，连接到主机控制器的串行接收（Rx）信号，主机通过此引脚接收 uCAM-III 的数据，3.3V 逻辑。
3	RX	I	异步串行接收引脚，连接到主机控制器的串行发送（Tx）信号，主机通过此引脚向 uCAM-III 发送命令，3.3V 逻辑，但 5V tolerant。
4	GND	P	电源接地。
5	RES	I	硬件复位引脚，低电平有效，可用于复位相机。

引脚说明

• 5V 引脚：模块供电电压输入引脚，必须连接到稳压电源。
• TX 引脚：异步串行端口发送引脚，输出 3.3V 逻辑信号。
• RX 引脚：异步串行端口接收引脚，3.3V 逻辑但 5V tolerant。
• GND 引脚：模块接地引脚，必须接地。
• RES 引脚：可选的硬件复位引脚，可通过低电平脉冲复位相机。

三、串行接口 - UART

uCAM-III 拥有专用的硬件 UART，通过串行端口与主机进行通信。这是主机与模块通信、发送命令和接收数据的主要接口。

主要特性

1. 全双工 8 位数据传输：通过 TX 和 RX 引脚进行 8 位数据的发送和接收。
2. 数据格式：8 位数据，无校验位，1 个停止位。
3. 自动波特率检测：可自动检测 9600 波特至 921600 波特的特定波特率。
4. 可选波特率：最高可达 3686400 bps，但并非所有 RS232/RS485/TTL USB 适配器或电缆都能支持此高速率，使用时需确保硬件能够处理所选波特率。

单字节定时

单字节串行传输由起始位、8 位数据和停止位组成。起始位始终为 0，停止位始终为 1，最低有效位（LSB）在起始位之后首先发送。

自动波特率检测

模块可以自动检测传入命令的波特率，主机应使用以下波特率之一进行连接：9600 bps、14400 bps、56000 bps、57600 bps、115200 bps、921600 bps。模块将一直使用最后一次自动波特率检测或手动设置的波特率，直到下一次电源循环或“完全复位”。

设置波特率

可以使用“Set Baud”命令设置波特率，波特率的更改将保持到发送“完全复位”命令或发生电源循环。

睡眠模式

相机在空闲 15 秒（默认）后进入睡眠（低功耗）模式。要唤醒相机，需要发送“Sync”命令。如果需要相机保持唤醒状态，建议定期发送“Sync”命令，例如每 10 秒发送一次，以防止相机在没有其他命令发送时进入睡眠状态。如果睡眠超时不需要，可以通过发送睡眠命令并将其设置为 0 来禁用睡眠功能。

四、电源供应

uCAM-III 可以使用 4.5V 至 9V 的直流电源供电，推荐的典型电压为 5V。一些电源的上升时间较慢，如果直接从电源为 uCAM-III 供电并开始与其通信，可能会出现同步问题，因为模块可能由于上升时间慢而处于异常状态。测试表明，上升时间小于 5μS 的电源可正常工作，而上升时间大于约 50μS 的电源会导致同步问题，但这种情况很少见。

为了确保模块正常工作，建议在给 uCAM-III 上电后利用其硬件复位引脚进行复位，让电源有时间稳定，并使模块处于已知状态后再开始通信。利用复位引脚还可以在模块出现无响应的罕见情况下，让项目/产品/应用对 uCAM-III 进行监督控制，使主机控制器能够在无需外部干预的情况下恢复操作。

五、命令集

uCAM-III 提供了丰富的命令集，用于配置相机、获取图像、设置参数等。以下是一些主要命令的介绍：

1. INITIAL (AA01h)

主机使用此命令配置图像大小和图像格式。模块在成功配置后会向主机发送 ACK 命令，否则发送 NAK 命令。

• 图像格式：支持 8 位灰度（RAW，仅 Y 通道）、16 位颜色（RAW，CrYCbY）、JPEG 16 位颜色（RAW，565(RGB)）等 4 种不同的图像格式。
• RAW 分辨率：在 RAW 模式下支持 80 x 60、160 x 120、128 x 128、128 x 96 等 4 种不同的图像分辨率。
• JPEG 分辨率：嵌入式 JPEG 编解码器仅支持 16 像素的倍数，因此 JPEG 模式仅支持 160 x 128、320 x 240、640 x 480 等图像尺寸。

2. GET PICTURE (AA04h)

主机使用此命令从 uCAM-III 请求图片，支持快照图片模式、RAW 图片模式和 JPEG 图片模式。

3. SNAPSHOT (AA05h)

uCAM-III 收到此命令后会在其缓冲区中保存一帧静态图片数据，可根据需要多次从缓冲区中检索该快照。

• 快照类型：包括压缩图片（JPEG）和未压缩图片（RAW）。
• 跳过帧计数器：可以定义在捕获之前丢弃的帧数，“0”表示保留当前帧，“1”表示捕获下一帧，依此类推。

4. SET PACKAGE SIZE (AA06h)

主机使用此命令更改用于从 uCAM-III 向主机传输压缩 JPEG 图像数据的数据包大小。此命令应在向 uCAM-III 发送 SNAPSHOT 或 GET PICTURE 命令之前发出。默认数据包大小为 64 字节，最大为 512 字节。

5. SET BAUD RATE (AA07h)

主机可以使用此命令设置波特率，具体的波特率设置可参考相关表格。需要注意的是，3686400 波特率使用 4D 编程电缆或 PA5 无法实现，使用此高速率时需确保串行端口/设备能够处理该波特率。

6. RESET (AA08h)

主机可以通过软件发送此命令复位 uCAM-III。如果通信无响应，可能需要进行电源循环或使用 5 针接头的引脚 5 进行硬件复位。

• 复位类型：00h 表示复位整个系统，uCAM-III 将重新启动并复位所有寄存器和状态机；01h 表示仅复位状态机。

7. DATA (AA0Ah)

uCAM-III 使用此命令通知主机准备传输的图像数据的类型和大小。

• 数据类型：包括快照图片、RAW 图片和 JPEG 图片。
• 长度：由三个字节表示准备传输回主机的图片数据的长度。

8. SYNC (AA0Dh)

主机使用此命令建立连接，发送此命令后必须收到 ACK 命令。

9. ACK (AA0Eh)

此命令表示上一次操作成功。主机在收到 uCAM-III 的 DATA 命令后，可以使用此命令请求具有所需数据包 ID 的图像数据包。

10. NAK (AA0Fh)

此命令表示传输损坏或不支持的功能，包含 NAK 计数器和错误编号。

11. LIGHT (AA13h)

主机使用此命令更改 uCAM-III 的光频率（嗡嗡声）响应，支持 50Hz 和 60Hz 两种频率类型。

12. CONTRAST / BRIGHTNESS / EXPOSURE (AA14h)

主机使用此命令根据三个参数更改对比度、白平衡和曝光。

• 对比度：可设置为最小、低、正常（默认）、高、最大。
• 亮度：可设置为最小、低、正常（默认）、高、最大。
• 曝光：可设置为 -2、-1、0（默认）、+1、+2。

13. SLEEP (AA15h)

此命令用于调整 uCAM-III 的睡眠超时时间，从默认的 15 秒到禁用（0）至 255 秒，使用命令 00h 至 FFh（0 - 255）。

六、命令协议

同步 uCAM-III

上电后，主机应发送 SYNC 命令，直到收到 uCAM-III 的 ACK 命令（通常发送 25 次 SYNC 命令后会收到 ACK 命令）。发送 SYNC 命令时，应连续逐个发送，直到收到 uCAM-III 的 ACK 和 SYNC 命令。有时可能需要发送 25 至 60 次 SYNC 命令模块才会响应，建议重试之间的暂停时间从 5ms 开始，每次增加 1ms。收到响应后，主机应回复 ACK 命令以完成同步过程。

同步并建立与 uCAM-III 的通信链接后，在捕获第一张图像之前应等待 1 - 2 秒，以便 uCAM-III 的 AGC 和 AEC 电路稳定，否则接收到的图像亮度可能过高或过低。SYNC 命令还可用于从睡眠状态唤醒相机，并通过定期发送此命令使相机保持唤醒状态。

其他命令

当向相机发送 INITIAL、GET PICTURE、SNAPSHOT、SET PACKAGE SIZE 或 RESET 命令时，如果成功，相机将简单地回复 ACK 命令。

拍摄快照图片

在使用以下通信之前，必须先建立连接。以 JPEG 快照图片（640 x 480 分辨率）为例，具体操作可参考文档中的示例。

七、镜头信息

uCAM-III 提供了三种不同视角的镜头：56 度（Tele）、76 度（Normal）和 116 度（Wide）。不同镜头的 F/No.（光圈）不同，光圈控制通过镜头并落在图像传感器上的图像亮度，F/No. 越高，光圈越小，通过的光线越少；F/No. 越低，光圈越大，通过的光线越多。在低光条件下，56 度镜头的性能优于 76 度和 116 度镜头。

光圈还会影响焦点前后的距离，即景深。76 度镜头的景深范围最宽，能够使前景和背景物体保持清晰，而较小的景深可能会使这些物体模糊，只有主要物体保持清晰。

uCAM-III 使用的镜头采用 M12 x 0.5mm 螺距螺纹，即所谓的 S-Mount 镜头，常见于 CMOS 相机和安全相机，可从多种供应商处获取并与 uCAM-III 配合使用。

八、故障排除

无法连接到相机，SYNC 始终失败

在通电后发出硬件复位信号通常可以解决此问题。这可能是由于使用的电源上升时间较慢导致的。测试表明，上升时间小于 5μS 的电源可正常工作，而上升时间大于约 50μS 的电源会导致同步问题。复位后，SYNC 应该正常。

之前已连接到相机，但现在无法 SYNC

确保以之前连接的波特率进行 SYNC。uCAM-III 将保持设置的波特率，直到断电。如果仍然无法连接，可能需要通过电源循环或发出硬件复位来重启相机。

与 uCAM-III 同步有困难

请参考相关部分的注意事项 1，并尝试同步过程。

无法将相机聚焦在目标上

请参考镜头信息部分的表格，确保使用适合物体距离的镜头。通过旋转镜头调整焦点，并使用锁定螺母固定。

相机不再响应串行命令

uCAM-III 在闲置 15 秒（默认）后会进入睡眠状态。发送 SYNC 命令可以唤醒相机，恢复正常操作。睡眠超时时间可以使用 SLEEP 命令进行调整。

相机无响应

在极少数情况下，uCAM-III 可能会停止响应。使用硬件复位引脚或通过断电再上电可以恢复正常操作。

九、嵌入式显示模块和 IDE

uCAM-III 与多种嵌入式显示模块兼容，如 MOLED-96-G2、OLED-128-G2、µLCD-144-G2 等，可用于各种嵌入式应用。

4D Systems 的 Workshop 4 IDE 为 4D 系列处理器和模块提供了集成的软件开发平台，结合了编辑器、编译器、链接器和下载器，可用于开发完整的 4DGL 应用代码。使用 uCAM-III 与 Workshop 4 时，将提供一个名为“4D uCAM-III Demo”的测试应用程序，用于测试相机。

十、规格和评级

推荐操作条件

Parameter	Conditions	Min	Typ	Max	Units
Supply Voltage (VCC)		4.5	5.0	9.0	V
Input Voltage Range	RX pin, 3.3V but 5V tolerant	--	3.3	5.0	V
Startup delay	Time required after power applied, before SYNC can be sent.	--	800	--	ms
‘First photo’ delay	After SYNC, the time recommended for the camera to settle before the first photo should be taken	1000	--	2000	ms
‘Shutter’ delay.	Time after getpic is sent to when image output begins.	--	150	200	ms
Operating Ambient Temp		-30	--	+85	°C
Storage Temperature	RH 95% max.	-40	--	+105	°C

全局特性

Parameter	Conditions	Min	Typ	Max	Units
Supply Current (ICC)	VCC = 5.0V		75	90	mA
	Sleep / Standby		2		mA
Output Voltage Range	TX pin	2.4	3.3	-	V

光学特性

Item	Parameter
Image Sensor	1/4” CMOS, 300K pixels – Pixelplus POA030R
Pixel Size	5.55um x 5.55um
Effective Pixel Array	656 x 496
SNR	44.2dB @ 60 degree
Dynamic Range	51dB @ 60degree
White Balance	Automatic
Exposure	Automatic, 4 manual bias modifiers (2 above, and 2 below ‘0’)
Contrast	Automatic, 4 manual bias modifiers (2 above, and 2 below ‘Normal’)